ZigBee-新型低功耗無線標準

越來越多的有線數據傳輸正在被無線解決方案取代。對用戶而言，線纜的棄用不僅帶來了更多方便，而且大大降低了安裝成本。特別是在傳感器網絡和控制應用中，現有網絡的安裝和改造成本是重要的考量因素。當從有線網絡轉向無線網絡時，通常節點也要從有線電源轉向電池供電。在無線網絡中，每個節點的功耗便成為一個重要因素。因此，超低功耗設計技術變得至關重要，特別是在無線傳感器節點許多年內只使用一節電池供電的情況下。

如果確定要使用無線網絡，那么第一步就是要選擇現有無線標準或實施專有解決方案，并在內部完成全面系統開發。這兩種方法各有利弊：

* 專有解決方案

o 優點：硬件靈活性高且成本低，因為僅需實現必要的功能。

o 缺點：軟件棧和傳輸協議開發時間長，且與其他設備不兼容

* 標準解決方案

o 優點：開發時間短，因為已有現成的軟件堆棧且經過了多個用戶測試。與其他廠商的產品相兼容。

o 缺點：通常，標準的軟件部分為非必須的且在應用中未予以使用。這就增加了軟件和數據存儲所需的存儲器容量。

得到廣泛認可的無線標準有多種，且每一種都針對某特定應用領域。例如目前大家熟悉的 Wi-Fi/802.11和藍牙RF標準，前者適用于相對較短距離和中等功耗的高速傳輸。可用于PC聯網、家庭聯網以及視頻分配；而后者則面型低功耗短距離中速傳輸。可用于耳機、PC外設、PDA以及移動電話連接。

在大多數控制應用中，這些標準都不是很理想。例如，就傳感器網絡而言，利用一節小電池就可使器件工作多年的超低功耗最為關鍵。高數據速率并非必需，因為需要傳輸的只有極少數控制指令和某些測量值。

IEEE 802.15.4——ZigBee的基礎

因此，對于傳感器和控制應用而言，Wi-Fi/802.11和藍牙并非是最佳解決方案。也正因如此，業內開發了IEEE 802.15.4 標準，并于2003年10月推出。2006年6月，IEEE 802.15.4-2006 (Rev B)獲得通過。該標準不但描述了個域網(PAN)中的點對點傳輸，而且還定義了面向低功耗、低速度及可靠RF傳輸的PHY和MAC層。一般室內的傳輸距離從10到30米不等，在室外最大傳輸距離可達150 米。取決于具體應用不同，電池使用壽命可長達數年。

圖 1 免費頻段的全球分配情況

在實施無線傳輸以前，還必要對傳輸頻率進行定義。圖1顯示了當今全球頻率的分配情況。全球各地區低于1GHz的頻率使用情況不盡相同。在歐洲，433MHz和868MHz均為免費使用，而在美國，免費使用的頻段為315MHz和915MHz。只有2.4GHz頻段(Wi-Fi和藍牙也使用該頻段）在全球免費使用。此外，就868MHz和915MHz而言，可以使用相同的天線。只要具有一個靈活、自由可編程 的RF 收發器，一款可選擇運行在868MHz或915MHz上的全球解決方案也是一個不錯的選擇。在這種情況下，必須要確保將運行頻率轉換至設備運行地區所允許的頻段范圍。這會增加成本，因為必須要發布兩個不同的固件版本。

IEEE 802.15.4專門針對下列頻率而定義：

* 868MHz、1通道 20kbps … 100kbps(僅適用于歐洲）

* 915MHz、10通道 40kbps … 250kbps(僅適用于美國）

* 2.4GHz、16 通道 250kbps(適用于全球各地區）

ZigBee——軟件棧

ZigBee聯盟是一個由多家公司組成的行業協會，這些公司通力合作以實現可靠、低成本、低功耗、無線網絡監控并推出基于開放性全球標準的控制產品。ZigBee聯盟的推動者包括BM Spa、Ember、飛思卡爾、霍尼韋爾、華為、三菱電機、摩托羅拉、飛利浦、三星、施耐德電氣、意法半導體、西門子以及TI等公司。該聯盟擁有超過200家成員，并且這一數字還在不斷增長。該聯盟定義了ZigBee棧：是在IEEE 802.15.4 PHY和MAC之上的一種標準協議棧。ZigBee的目標應用領域如下：

* 家庭自動化：

o 自動抄表(AMR)

o 照明、制熱、警報、安全

o 白家電健康狀態監控

* 商業樓宇自動化

o 采暖、通風和空調系統(HVAC)

o 能量管理

o 警報、安全

* 工業自動化

* 住院和病患護理

* 資產跟蹤/有源 RFID

* 無線傳感器網絡

圖 2 ZigBee 星形網絡

圖 3 ZigBee 網狀網絡

位于IEEE 802.15.4點對點通信協議之上的ZigBee棧，使ZigBee節點的個域網(PAN)實現成為可能。可以采用星形網絡拓撲(請參見圖2）、樹形或網狀網絡拓撲(請參見圖3）。每一個ZigBee PAN 都需要一個PAN協調器設備。PAN 協調器啟動網絡，并向新網絡分配PAN-ID。此外，PAN協調器通常還具有數據包路由功能。在樹形和網狀網絡中，通常會有若干個具有ZigBee路由器功能的節點。這些路由器節點可將接收到的數據包轉發至下一個ZigBee節點，并通過完整的ZigBee網絡以這種方式實現數據包從發送者到接收者的跳轉。

ZigBee終端設備僅與其母節點(PAN協調器或路由器)進行通信。這些終端設備的功能相對較少，因為它們不需要路由功能。精簡功能設備(RFD)的一個優點就是棧尺寸明顯要小很多。因此，程序閃存、數據存儲器RAM以及閃存要求也大大降低。這就使得通常是ZigBee節點主要組成部分的RFD頗具成本優勢。RFD特別適用于超低耗設計，因為在大部分時間里可以將微控制器和RF收發器關閉。一個具有路由功能的設備需要始終謹記，其必須要接收一個數據包。

ZigBee使用16位節點尋址，理論上允許一個PAN中有近2^16個ZigBee節點。在實際應用中，節點的數量受數據包延遲限制。就星形網絡而言，<2000個節點最為合適。

談及 ZigBee，一種比較簡單的情況就是開啟和關閉燈具的照明開關。照明開關可以是一個RFD且連續處于深睡眠模式。如果按下照明開關上的按鈕，則微控制器被喚醒，開啟射頻并將要求的數據包發送至其母設備(路由器或PAN協調器），等待數據包確認并返回到睡眠模式。然后，該網絡將開始傳輸數據包，數據包最終跳轉至目標地址——燈具。路由器和PAN協調器必須始終清楚會有一個數據包到達。因此，這些節點絕不能進入深睡眠模式。但是在該示例中，如果路由器位于與主電源相連的燈具中，則不存在功耗問題。

圖4：ZigBee棧架構。

圖4顯示了ZigBee棧架構。底層的PHY和MAC均由IEEE?802.15.4標準定義。上述所有層均由 ZigBee定義。PHY和MAC實現了兩個節點間的點對點通信。ZigBee NWK(網絡）層進行數據包路由，并將接收到的數據包發送至下一個ZigBee 節點，或將其轉發至APS(應用支持子層）。然后，APS將處理ZigBee節點內針對某個應用的數據包。具有射頻功能的一個ZigBee節點可處理若干個應用，以開關為例，溫度測量和濕度測量就可在一個盒子里進行。在這種情況下，由 APS來決定哪些應用是數據包的終點。首先，ZigBee設備對象(ZDO)有助于應用軟件和ZigBee堆棧軟件的協同運行。一旦做出決定，還可集成一個安全服務以實現安全的數據傳輸。

ZigBee配置文件

只有所有的ZigBee符合ZigBee標準配置文件之一，才能實現 ZigBee產品的廠商的獨立兼容性。ZigBee 聯盟將配置文件定義為一種可確保應用級互操作性的方法。

除協議之外，配置文件還對發送至其他設備的數據內容進行了定義，例如，哪個數據內容將開啟燈具，哪個數據內容又將燈具關閉。配置文件中的定義為：獨特的配置文件ID；設備類型；報文格式、內容編碼以及集群解釋。

已經定義的標準配置文件為：“家庭自動化”（自2006年9月開始，不再后向兼容以前的“家庭控制——照明”）；“工業廠房監控”(自2006年第四季度開始）；包括HVAC在內的“商用樓宇自動化”(自2007年第一季度開始）。

其他更多的標準配置文件尚在討論之中，如自動抄表、醫療保健等。專有配置文件可由客戶來定義，但是這會限制共享該配置文件設備的應用互操作性。專用配置文件并不排斥網絡級互操作性。

為了確保新開發的終端設備符合ZigBee標準以及標準配置文件之一，必須要進行ZigBee一致性認證測試。一旦順利通過測試，就可以在產品上使用ZigBee的logo。

TI推出的 ZigBee 解決方案

TI 推出了一系列完整的硬件和軟件ZigBee解決方案。MSP430微控制器產品系列由于其出色的超低功耗性能以及易于使用的開發工具而被熟知。自2006年起，該16位微控制器實現了架構升級，現在該微控制器具有高達120k的閃存以及高達10k的RAM存儲器。具有高于60k閃存的MSP430派生產品系列即將推出。MSP430架構升級與現有的MSP430版本100%二進制后向兼容，并且仍然使用線性內存尋址范圍。該解決方案實現了眾所周知的易用性架構與現有MSP430編碼100%重復使用性的結合。

此外，TI 還推出了首款符合 ZigBee 標準的收發器 CC2420。該 2.4?GHz 收發器被廣泛用于 ZigBee 社區，功耗低且具有與其他任何 MSP430 微控制器輕松組合的特性。作為一種替代產品，CC2430是在一顆芯片上集成了CC2420 收發器與 8051 CPU的片上系統（ SoC）。

TI 還推出了用于 MSP430 + CC2420 和 SoC CC2430的ZigBee 軟件棧 Z-Stack。Z-Stack 完全符合 ZigBee 標準，并提供了許多靈活的用戶可選選項。

結論

ZigBee 是一種基于開放性全球標準、針對低功耗、無線網絡化監控及控制產品的標準。該標準憑借經過測試的軟硬件確保了快速的開發時間。廠商互操作性是符合 ZigBee 標準的產品的另一個優勢。現在開始供應 ZigBee 硬件和軟件。